(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
電流が流される金属導体とこの金属導体に流れる電流を測定し光信号に変換する光電流センサとを収納し、容器下部に前記光電流センサから引き出された光信号伝送用の光ファイバ線を挿通するための第1の穴が設けられた第1の金属容器と、
接地部位に配設され、容器上部に前記光ファイバ線を挿通するための第2の穴が前記第1の穴と対向して設けられた第2の金属容器と、
上方に前記第1の金属容器を配置し下方に前記第2の金属容器を配置し、互いの金属容器の間を繋ぐように配設された中空の碍管と、
前記光電流センサから引き出され、前記第1の金属容器内の前記第1の穴と前記第2の金属容器の前記第2の穴に挿通されて前記碍管内のほぼ中央部に直線的に垂れ下がるように配置された光ファイバ線と、
前記第2の金属容器内に支持され、前記光ファイバ線を、余長部分を持たせて固定する電位固定部材と
を具備し、
前記余長部分を、
A=√(L2+δ2)−L ・・・・・(式1)
δ=F・L3/(3・E・I)
但し、L:碍管の長さ
F:碍管の頭部に作用する集中加重
E:碍管のヤング率
I:碍管の断面二次モーメント
δ:碍管の頭部の変位量
A:たるみ量
前記(式1)で算出されるたるみ量A以上とした
碍子型光変流器。
【背景技術】
【0002】
高電圧の導体を流れる電流を測定する機器として、例えば油やSF6ガスを絶縁材として使用する碍子型変流器が一般的に用いられている。
【0003】
最近では、ファラデー効果を応用した光電流センサが、小形、軽量であることから、これを応用した光変流器が製品化されている。
【0004】
この種の光変流器では、光ファイバ線を用いて信号を伝送するが、光ファイバ線の部材であるガラスが絶縁材料であるため絶縁の確保が容易であり、ファラデー素子を内蔵した光電流センサを導体の配設された高電圧部に設置することが可能である。
【0005】
一方、光ファイバ線は、ガラス材を細く引き伸ばしていることから、無理な力が加わると容易に破断してしまうため、その取り扱いには十分に注意する必要がある。
【0006】
特に地震や高電圧導体が接続される電気系統で短絡などの事故時に発生する大電流に伴う電磁力により碍管が振動・変形し、光ファイバ線に無理な力が加わったり、光ファイバ線が曲がったりすることで光ファイバ線の破断や光量の損失が発生する。
【0007】
また光ファイバ線を固定しない場合は光ファイバ線どうしが絡み合うため、碍管の管壁内に光ファイバ線を埋設して通すような構造の光ファイバ内蔵碍子が開発されている。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、図面を参照して一つの実施の形態の碍子型光変流器を説明する。
図1に示すように、この実施形態の碍子型光変流器は、高電圧部の側(上方)に配設された第1の金属容器として金属容器2と、接地電位部の側(下方)に配置された第2の金属容器としての金属容器5と、互いの金属容器2,5の間を繋ぐように軸を鉛直方向にして配設(立設)された中空の碍管4と、碍管4内のほぼ中央部に直線的に垂れ下がるように配置された光ファイバ線としての光ファイバ芯線6とを備える。
【0014】
碍管4は上方に金属容器2を配置し下方に金属容器5を配置し、互いの金属容器2、5の間を繋ぐように配設されている。
【0015】
金属容器2、5および碍管4の内部には、シリコーングリースなどの注入はなく、必要により例えばSF6ガス、窒素ガス、ドライエアー、空気などの気体(絶縁ガス)が充填される。この例では金属容器2、5および碍管4にSF6ガスが充填されている。
【0016】
図2に示すように、金属容器2は底面の部分が開口とされており、その開口に容器下板2aが取り付けられ、密閉されている。容器下板2aには光ファイバ芯線6を碍管4側へ挿通するための第1の穴として穴11が設けられている。
【0017】
この穴11の内周面は、光ファイバ芯線6が滑らか動けるよう表面粗さ、例えば25S(JIS規格)より細かい粗さとしている。容器下板2aに、単に穴11を設けるだけでなく、穴11の縁部に摺動性のよい絶縁材、例えばフッ素樹脂製の環状部材(Oリング)などを設けてもよい。
【0018】
なお25S(JIS規格)とはJIS B 0601:1990 Rmaxの「表面粗さ区分」でいうところの「25S」の粗さ区分であり、25S(JIS規格)より細かい粗さとは、例えば「12.5S」、「6.3S」、「3.2S」、「1.6S」、「0.8S」…等である。「12.5S」は、中級の機械仕上げ面であり、高速で適当な送りと良好な工具で得られる旋削面、フライスなどで得られる面をいう。
【0019】
「6.3S」は、良好な機械仕上げ面であり、転がり軸受の外輪外面、弁と弁座との接着面、水圧シリンダ・ラムの外面をいう。なお穴11を設ける部材(この場合、容器下板2a)自体または穴11周辺の部分を、金属の代わりにフッ素樹脂などの絶縁材で形成しても同様の効果が得られる。
【0020】
金属容器2には、電流が流される金属導体としての導体1とこの導体1に流れる電流を測定する光電流センサ3と第1の電位固定部材としての電位固定部材12とが収納されている。
【0021】
光電流センサ3は導体1に流れる電流を、ファラデー効果を用いて測定し光信号に変換するセンサであり、少なくとも一つ以上設けられている。この例の場合、光電流センサ3は主系統用、副系統用および予備系統用に3つ設けられている。
【0022】
このため、穴11(
図3参照)および穴21(
図5参照)は複数の系統用の光ファイバ芯線6をそれぞれ通すように碍管4の軸付近に一定の間隔を空けて複数配置されている。
【0023】
光電流センサ3からは光ファイバ芯線6が引き出されており、光ファイバ芯線6により電流の測定結果である光信号が伝送される。
【0024】
光ファイバ芯線6は各光電流センサ3から引き出された3本が電位固定部材12に固定(接着)された上で、金属容器2の容器下板2aの穴11に挿通されて、碍管4内のほぼ中央部に直線的に垂れ下がるようにして金属容器5上部の開口7を塞ぐように取り付けられた蓋8(容器上板)に固定された芯線位置決め部材9の穴21に挿通されている(
図2、
図4参照)。
【0025】
つまり信号を伝送する光ファイバ芯線6は、高電圧部の金属容器2内に配設された光電流センサ3と接続され、碍管4の中心近傍を通り、接地電位部に配設された金属容器5に入るように配線されている。
【0026】
図3に示すように、電位固定部材12は内向きに下がるように傾斜した斜面12aを有する金属製のリング状の部材であり、容器下板2aの穴11が露出するように中央部が開口されている。電位固定部材12は金属製のため高電圧部と同じ電位となる。
【0027】
3本の光ファイバ芯線6は電位固定部材12の斜面12aにそれぞれシリコーン接着剤13により接着および固定された上で、容器下板2aに設けられた穴11に挿通される。
【0028】
図4に示すように、金属容器5内には、金属容器5の上部(上面)に設けられた開口7を塞ぐように配置された蓋8と、この蓋8のほぼ中央部に設けられた開口8a(
図6参照)と、この開口8aを避けた蓋8の下面に固定された第2の電位固定部材としての電位固定部材22とが収容されている。
【0029】
金属容器5において、碍管4を通じて金属容器5内に挿通された光ファイバ芯線6にたるみ6a(余長部分)を持たせて電位固定部材22にシリコーン接着剤13で固着(固定)した上で光ファイバ芯線6を下方に配線している。シリコーン接着剤13は硬化後も硬度が低いため、光ファイバ芯線6の動きや伸び縮みに柔軟に対応できる。
【0030】
碍管4と接続する金属容器5の上面には、穴21が、上部の穴11のほぼ真下となる位置に配設されている。すなわち金属容器5の上面には、容器上部に光ファイバ芯線6を挿通するための穴21が穴11と対向して設けられている。
【0031】
光ファイバ芯線6は碍管4から穴21を通って金属容器5に入る。このとき、穴11と穴21は光ファイバ芯線6の本数と同じ数準備され、上下で1組(一対)とされ、1組(一対)に1本の光ファイバ芯線6が通される。換言すると、穴1組に対し複数の光ファイバ芯線6を通さない。
【0032】
接地電圧部の側も穴21の表面は、光ファイバ芯線が滑らか動けるよう表面粗さが25S(JIS規格)より細かい粗さとされる。金属容器5の上面の穴21の構成部材として、上述した高電圧部と同様に摺動性のよいフッ素樹脂製の環状部材(Oリング)などの絶縁材を使用してもよい。
【0033】
この実施形態では、穴21を設ける部材として、フッ素樹脂を用いた芯線位置決め部材9を金属容器5の上面の中央部近傍に配設している。
【0034】
図5、
図6に示すように、金属容器5の上部は、蓋8、芯線位置決め部材9、押さえ部材10、ビス31などにより光ファイバ芯線6を位置決めするための位置決め構造が形成されている。
【0035】
芯線位置決め部材9は円盤状の部材であり、中央部付近に光ファイバ芯線6を挿通するための3つの穴21と、ビス締め用の4つのビス穴9aが設けられている。押さえ部材10はリング状の部材であり、ビス穴9aと対応するビス穴31を有する。押さえ部材10は蓋8との間に芯線位置決め部材9を挟み込んで蓋8の裏面からビス31をビス穴9a、ビス穴31にビス締めすることで固定している。
【0036】
図7、
図8に示すように、電位固定部材22は金属管を縦に二分したような半筒形状(雨どいのような形状)のものであり、蓋8の下面にビスなどで固定されている。
【0037】
金属容器5には、上部に開口7が設けられている。金属容器5の上部には開口7を塞ぐように蓋8が取り付けられている。蓋8にはほぼ中央部に穴が設けられており、この穴に芯線位置決め部材9が取り付けられている。
【0038】
芯線位置決め部材9には、光ファイバ芯線6を挿通するための第2の穴として穴21が設けられている。すなわち金属容器5には、容器上部に光ファイバ芯線6を挿通するための穴21が、上方の金属容器2の穴11と対向して設けられている。
【0039】
穴11、21は碍管4の中心から一定の距離離れた位置に点在するように配置されている。具体例としては、120度間隔で3つ設けられている。
【0040】
金属容器5内部において、光ファイバ芯線6は、一定のたるみ6a(余長部分)を持たせて配線される。また、接地電位部と同じ電位となる金属製の電位固定部材22が穴11の金属容器5の内部に配設されている。光ファイバ芯線6は、電位固定部材22に電気的に同電位となるように接着固定される。光ファイバ芯線6を接着する接着剤としては、硬化後も硬度が低いシリコーン系の接着剤であるシリコーン接着剤13を使用している。
【0041】
穴21より金属容器5内部に準備されるたるみ量としては、下記(式1)で制限値Aを求め、少なくともたるみ量を制限値Aよりも長くする。つまり制限値A<たるみ量とする。
【0042】
A=√(L
2+δ
2)−L ・・・・・(式1)
δ=F・L
3/(3・E・I)
但し、L:碍管の長さ
F:碍管の頭部に作用する集中加重
E:碍管のヤング率
I:碍管の断面二次モーメント
δ:碍管の頭部の変位量
A:たるみ量
【0043】
碍管4として例えば筒長4.5m程度の複合碍管を採用した場合で計算してみると、以下のような数値となる。
【0044】
地震力や事故電流が流れたときの電磁力など碍管4の頭部に力が作用すると、頭部が変位すると同時に碍管4と金属用容器5との接続部に応力が発生するため、碍管4は、これら機械的な応力に耐えられるよう設計・製造されるが、許容値(一般的にはメーカの保証値)の力があり、この力をF(碍管の頭部に作用する集中加重)とする。
【0045】
この結果、A=7.88×10
−3[m]となる。
したがって、たるみ量Aとしては、8mm以上として設定することとなる。
【0046】
上記のように構成された碍子型光変流器は次のように作用する。
金属容器2の底面の光ファイバ芯線6を通す穴11の真下に、金属容器5の上面の光ファイバ芯線6を通す穴21を配設したので、光ファイバ芯線6を直線的に配設することができる。従って、容易な光ファイバ芯線の配設となり、複雑な製造工程が不要となり、製造コストを低減できる。
【0047】
また、碍管4、金属容器5の内部にシリコーングリースなどを注入せず、碍管4の中の光ファイバ芯線6の周囲は気体となる。したがって、光ファイバ芯線6に周囲部材との接触に伴う力の作用と応力の発生がないので、安定な品質が確保できる。当然シリコーングリースなどの注入は行なわない。このため製造工程が簡素化され、コストの低減が可能である。
【0048】
さらに、通線用の穴11と穴21の1組の穴に対し、光ファイバ芯線6を1本のみを配設する。従って近接する光ファイバ芯線6どうしが絡み合うことがなく、光ファイバ芯線6が触れ合うことでの破断はない。
【0049】
地震や事故発生時には、地震力や電磁力によって碍管4の頭部が変位するが、その変位に合わせ光ファイバ芯線6がたるみ6aより碍管4の中に必用量引き出される。
【0050】
一方、光ファイバ芯線6のたるみ6aは、(式1)で規定される最小必要長さ以上確保することで、光ファイバ芯線6に過剰な力が加わらず、光ファイバ芯線6が破断することはない。
【0051】
また、碍管4の頭部が変位する際、光ファイバ芯線6は、挿通されている穴11、21と擦れるが、穴11、21の表面粗さを25S(JIS規格)より細かい粗さで仕上げ、なめらかにしたことで、光ファイバ芯線6の表面を傷つけたり破断させたりすることがない。
【0052】
ここで、
図9を参照して直流送電などの直流高電圧となる系統で碍子型光変流器を使用する場合の電位と光ファイバ芯線6の長さとの関係について説明する。
【0053】
直流高電圧となる系統で碍子型光変流器を使用する場合、光ファイバ芯線6が絶縁物のため抵抗値で電位が決まる。光ファイバ芯線6の抵抗率が一様とし、L:電位が固定される2点間の光ファイバ芯線6の長さ、V1:光ファイバ芯線6の金属容器2の穴11の位置での電位、V2:光ファイバ芯線6の金属容器5の穴21の位置での電位、L1:光電流センサ3から金属容器2の穴11の位置までの光ファイバ芯線6の長さ、L2:金属容器5の穴21の位置から接地電位点までの光ファイバ芯線6の長さ、とすると、
【0054】
V1=(L−L1)×V/L
V2=L2×V/L
となるが、具体的な数値として
L=4.5m L1=0.2m L2=0.3m V=250kV
を代入すると、
V1=239kV
V2=17kV
となる。
【0055】
通常、金属容器2の穴11の縁での光ファイバ芯線6の電位は239kV、穴11が設けられた金属の容器下板2a自体の電位が250kVとなり、11kVの差電圧が発生する。
【0056】
光ファイバ芯線6の配線状況では、光ファイバ芯線6が穴11に接近はするものの、金属の容器下板2a自体には接触しない微小ギャップのような状態が続き、部分放電や絶縁破壊により光ファイバ芯線6が破損・破断する恐れがある。
【0057】
そこで、この実施形態では、穴11の近傍(上部)に金属容器2と同電位の電位固定部材12を配設し、光ファイバ芯線6を電位固定部材12に接着することで強制的に接触させて電気的な接続を得ている。
【0058】
このため穴11の部分で光ファイバ芯線6に差電圧が発生することはなく、部分放電や絶縁破壊を起こしファイバ芯線6を破断させることはない。
【0059】
一方、接地電位部側では、光ファイバ芯線6にたるみ6aを持たせた上で、電位固定部材22に接着固定することで、一定のたるみ量Aを確保して接地電位と同電位の電位固定部材22を介して下方に引き出すようにしている。
【0060】
このとき、上記の計算から金属容器5の穴21の位置での光ファイバ芯線6の電位は17kV、穴21が設けられている芯線位置決め部材9の電位0kV(接地電位)となり17kVの差電圧が発生する。
【0061】
光ファイバ芯線6を単に穴21に通すだけの場合、光ファイバ芯線6が穴21に接近はするが、穴21の縁には接触しない微小ギャップのような状態が続き、微小ギャップに部分放電や絶縁破壊により光ファイバ芯線6が破損・破断する恐れがある。
【0062】
そこで、この例では、金属容器5の上部の芯線挿通用の穴21を、絶縁材料を使用した芯線位置決め部材9に設けたことで、十分な絶縁距離を確保でき、部分放電や絶縁破壊を起こし、光ファイバ芯線6を破断させることはない。特に、芯線位置決め部材9を、フッ素樹脂などを主成分とする板状の部材とすることで、摺動性、絶縁性、耐久性に優れ、絶縁性と耐久性を確保することができる。
【0063】
なお、光ファイバ芯線6については、その沿面方向にも電圧が負荷される。通常、光ファイバ芯線6は、信号である光を通す部分はガラス材料で構成されるが、その外表面には、その強度の確保やガラス材料表面の傷の防止を目的として、通常、アクリルなどの保護材がコーティングされている。そして、これらの保護材は絶縁物のため、沿面方向の絶縁耐力として少なくとも10kV/cm程度有している。よって、この値から、碍管4および金属容器2、5内における光ファイバ芯線6の沿面方向の耐圧も十分確保することができる。
【0064】
さらに、碍子型光変流器は、屋外に設置されることも想定されるため、外気温に通電による発熱や日射の影響などが加わることを考慮すると、光ファイバ芯線6の接着固定部の温度は−30度C〜70度Cの環境に晒されることになる。
【0065】
このような設置環境では、電位固定部材22と接着剤の熱膨張や熱収縮などによって、光ファイバ芯線6に応力が加わり、光量損失などが生じ、光の状態を劣化させる可能性があるが、本実施形態では、接着剤として硬化後の硬度が低いシリコーン系接着剤13を使用した。
【0066】
これにより、熱膨張や熱収縮があったとしても光ファイバ芯線6に応力が加わることはなく、光量損失など光の状態を劣化させることはない。
【0067】
このようにこの実施の形態によれば、高電圧部の金属容器2と、接地電位部の金属容器5とを上下に配置し、互いの容器2、5の間を中空の碍管4で繋ぐよう構成された碍子型光変流器において、金属容器2に収容された光電流センサ3に接続された光ファイバ芯線6を、金属容器2の穴11と金属容器5の穴21に挿通して碍管4内のほぼ中央部に直線的に垂れ下がるように配置することで、組立性がよく、廉価で、かつ信頼性が高い碍子型光変流器を提供することができる。
【0068】
本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【0069】
上記実施形態では、金属容器5の上部の穴21を含む芯線位置決め部材9をフッ素樹脂などの絶縁材で構成したが、金属容器2の下部の穴11をフッ素樹脂製のリング状部材で構成してもよく、穴11、21は両方またはいずれか一方を絶縁材としてもよい。